嵌入式數(shù)字存儲(chǔ)示波器

介紹基于嵌入式uCLinux操作系統(tǒng)，使用SamsungS3C 44BOXCPU，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的一種數(shù)字存儲(chǔ)示波器。在uCLinux平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多任務(wù)程序運(yùn)行，用 中斷方式實(shí)現(xiàn)觸摸屏控制。系統(tǒng)具有采集、存儲(chǔ)、顯示和分析的功能。
　　關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；uCLinux；數(shù)字存儲(chǔ)示波器；FIFO；多任 務(wù) A Embedded Digital Storage Oscilloscope LV Xiangyang (College of Information Science & Engineering, Central South Universi ty,
Changsha 410083, China) 　　Keywords: embedded system; uCLinux; digital storage oscilloscop e; FIFO; multitasking 1數(shù)字存儲(chǔ)示波器的總體系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1.1S3C44BOX微處理器簡(jiǎn)介
　　Samsung S3C44BOX是三星公司專(zhuān)為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提供的高性?xún)r(jià)比和高性能的微處理器 ，它使用ARM7TDMI核，工作在66MHz。為了降低系統(tǒng)總成本和減少外圍器件，這款芯片中還 集成了下列部件：8KB Cache、外部存儲(chǔ)器控制器、LCD控制器、4個(gè)DMA通道、2通道UART、1 個(gè)多主IIC總線(xiàn)控制器、1個(gè)IIS(Inter?IC Sound)總線(xiàn)控制器，5通道PWM定時(shí)器及1個(gè)內(nèi)部 定時(shí)器、71個(gè)通用I/O口、8個(gè)外部中斷源、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、8通道12位ADC等。
1.2A/D轉(zhuǎn)換采集系統(tǒng)
　　由于數(shù)字存儲(chǔ)示波器工作在40MHz，而S3C44BOX處理器內(nèi)帶ADC的工作頻率最高只能達(dá)到50kH z，所以必須單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換采集系統(tǒng)，其組成如圖2所示。
1.3系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)
　　根據(jù)數(shù)字存儲(chǔ)示波器的隨機(jī)采樣原理得知：示波器每次觸發(fā)以后，A/D轉(zhuǎn)換器完成一組采樣 序列，并將其存入高速RAM中；稍后，由微處理器進(jìn)行處理，顯示在液晶屏幕上，這就是一 次數(shù)據(jù)獲得過(guò)程。系統(tǒng)接口具體方案如圖3所示。使用微處理器S3C44BOX的I/O端口來(lái)讀取數(shù) 據(jù)并發(fā)出控制信號(hào)。其中“FIFO RAM”為先進(jìn)先出存儲(chǔ)器，采用IDT公司的IDT72V02型號(hào)， 最高轉(zhuǎn)換速率為15ns，1024×9bit存儲(chǔ)空間。
　　系統(tǒng)利用S3C44BOX微處理器I/O端口中的F端口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出，利用D端口和G端口來(lái)進(jìn) 行控制。采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D變換后首先進(jìn)入FIFO存儲(chǔ)器，當(dāng)從FIFO中每讀出一個(gè)數(shù)據(jù)后需 要再向其發(fā)送一個(gè)讀數(shù)脈沖信號(hào)，這樣才能保證讀出下一個(gè)單元內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，讀數(shù)脈沖由 G端口的第四位PG4給出。數(shù)據(jù)從FIFO存儲(chǔ)器中被讀出后經(jīng)過(guò)數(shù)字鎖存器進(jìn)入端口F的數(shù)據(jù)寄 存器PFDATA中，數(shù)字鎖存信號(hào)由D端口的第四位PD4給出。當(dāng)處理器讀周期到來(lái)時(shí)，數(shù)據(jù)由端 口被讀入內(nèi)存。每當(dāng)數(shù)據(jù)采滿(mǎn)1K時(shí)，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，該中斷信號(hào)由D端口 的PD6輸入給微處理器。 　　基于嵌入式數(shù)字存儲(chǔ)示波器系統(tǒng)軟件主要分為數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)模塊、波形顯示和刷新模塊以 及觸摸屏控制模塊3個(gè)部分。系統(tǒng)軟件由uCLinux下的C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。
2.1數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)模塊
　　數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊的流程如圖4所示。采集系統(tǒng)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)FIFO存儲(chǔ)器，由F口讀入內(nèi)存并存入指 定 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)之中。在存儲(chǔ)過(guò)程中，采用了雙緩沖區(qū)機(jī)制，數(shù)據(jù)按1K大小分塊，相鄰的兩塊數(shù) 據(jù)交替存放在內(nèi)存的不同的區(qū)域中，在每讀入1K個(gè)數(shù)據(jù)之后，內(nèi)存中都存有連續(xù)的2K個(gè)采樣 數(shù)據(jù)，這樣有助于以后對(duì)數(shù)據(jù)的處理和顯示。
2.2波形顯示和刷新模塊
　　系統(tǒng)使用一塊大小為240×320像素的256彩色液晶顯示屏，其平面尺寸為93mm×75mm(長(zhǎng) ×寬)。微處理器S3C44BOX為L(zhǎng)CD的控制提供了良好的支持，其實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)微處理器中的LC D控制器來(lái)完成。波形的顯示主要通過(guò)將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成液晶顯示屏上點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，存放 在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換就可以在LCD上進(jìn)行顯示。因?yàn)長(zhǎng)CD的坐標(biāo)系與顯示波形 時(shí)所用的坐標(biāo)系y軸方向相反，且需要將波形顯示在屏幕的特定區(qū)域內(nèi)，所以在顯示之前要 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。從端口讀入數(shù)據(jù)的范圍為0～0xff，0點(diǎn)對(duì)應(yīng)于LCD上y軸坐標(biāo)的190 ，0xff對(duì)應(yīng)于LCD上y軸坐標(biāo)的50，則0x7f對(duì)應(yīng)于LCD上坐標(biāo)為120的點(diǎn)，即屏幕顯示的零點(diǎn)， 相應(yīng)的轉(zhuǎn)化公式為：Y=120-(data-0x7f)×0x7f，其中：data為從端口讀 入的數(shù)據(jù)；Y是data在LCD上顯示的y坐標(biāo)。LCD一屏可以顯示300個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn) ，點(diǎn)與點(diǎn)之間用矢量法直線(xiàn)相連。
2.3觸摸屏控制模塊
　　觸摸屏是附著在LCD表面的一層透明薄膜，它將壓力轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)模 數(shù)轉(zhuǎn)換送給系統(tǒng)。本系統(tǒng)觸摸屏使用FM7843芯片控制。FM7843是4線(xiàn)電阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯 片。它是一款具有同步串行接口的12位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在125kHz吞吐速率和2.7V電 壓下的功耗為750μW，而在關(guān)閉模式下的功耗僅為0.5μW。圖5為觸摸屏工作流程示 意圖。觸摸屏通過(guò)中斷方式完成其功能，從執(zhí)行流程上來(lái)說(shuō)，首先在Touch Panel?init() 中完成兩件事：注冊(cè)驅(qū)動(dòng)程序和注冊(cè)中斷。對(duì)于觸摸屏設(shè)備，主設(shè)備號(hào)為58，設(shè)備名為“FM 7843”，驅(qū)動(dòng)程序子函數(shù)集為T(mén)ouch Panel?fops。Touch Panel?fops中指定了read，sele ct，open，telease四個(gè)操作子函數(shù)的地址，依次為：Read Touch Panel，Touch Panel Sel ect，Open Touch Panel和Close Touch?Panel。當(dāng)用戶(hù)進(jìn)程調(diào)用open()打開(kāi)/dev/FM7843時(shí) ，內(nèi)核調(diào)用Open Touch Panel()；用戶(hù)進(jìn)程調(diào)用read()讀該設(shè)備時(shí)，內(nèi)核調(diào)用Read Touch P anel()。request?irq()注冊(cè)中斷處理，中斷為T(mén)OUCHPANEL?IRQ?NUM，中斷處理程序?yàn)門(mén)o uch Panel Interrupt()，說(shuō)明為“Touch?Panel”。當(dāng)觸摸屏被觸摸有數(shù)據(jù)來(lái)到時(shí)，中斷 被觸發(fā)，調(diào)用中斷處理程序，準(zhǔn)備處理數(shù)據(jù)。
　　該系統(tǒng)中觸摸屏主要用于獲取用戶(hù)的控制信息， 在LCD的上方顯示有若干個(gè)觸摸屏按鈕，例 如其中有幅值增加、幅值減小、頻率增加和頻率減小等。幅值和頻率的選定值存放在指定內(nèi) 存單元中，當(dāng)檢測(cè)到觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)在相應(yīng)區(qū)域中后，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)程序預(yù)先設(shè)定來(lái)設(shè)定采樣 頻率和幅值，這些在前、后臺(tái)任務(wù)之間進(jìn)行同步和通信。任務(wù)之間的通信是通過(guò)共享指定的 物理內(nèi)存單元來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不同任務(wù)之間對(duì)共享內(nèi)存單元的訪問(wèn)是互斥的。uCLinux的設(shè)計(jì)針 對(duì)沒(méi)有MMU(內(nèi)存管理單元模塊)的處理器，不能使用虛擬內(nèi)存管理技術(shù)。uCLinux系統(tǒng)對(duì)于內(nèi) 存的訪問(wèn)是直接的，所有程序中訪問(wèn)的地址都是實(shí)際的物理地址，操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存空間沒(méi)有 保護(hù)。當(dāng)觸摸屏檢測(cè)到有改變幅值或頻率的信號(hào)發(fā)生時(shí)，就去修改指定單元中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)， 這樣的內(nèi)存單元對(duì)于兩個(gè)任務(wù)來(lái)說(shuō)屬于臨界資源，在觸摸屏修改內(nèi)存期間需要禁止其他程序 對(duì)該內(nèi)存進(jìn)行任何操作。同樣，采集程序每次在發(fā)送幅值和頻率信號(hào)之前要對(duì)該內(nèi)存單元進(jìn) 行讀操作，若在此時(shí)有觸摸屏信號(hào)對(duì)內(nèi)存提出寫(xiě)操作要求，程序就應(yīng)該進(jìn)行等待，直到采集 部分的讀操作執(zhí)行完畢，釋放內(nèi)存的訪問(wèn)權(quán)。? 　　基于嵌入式的數(shù)字存儲(chǔ)示波器可以穩(wěn)定、清晰地顯示頻率為0～40MHz的信號(hào)波形，便于捕獲 和顯示那些可能只發(fā)生一次的事件。利用存儲(chǔ)示波器本身和外部計(jì)算機(jī)可以方便地進(jìn)行分析 、存檔和其他處理，為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了很大的方便。?